[論文レビュー] Indoor Coverage Enhancement for mmWave Systems with Passive Reflectors: Measurements and Ray Tracing Simulations

Wahab Khawaja, Özgür Özdemir+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、28 GHz帯の非視線距離（NLOS）インDoor環境におけるmmWaveカバレッジ向上のため、受動的金属反射板の使用を提案する。ソフトウェア定義無線（SDR）による測定とレイ追跡シミュレーションを用いて、33×33インチまでの正方形反射板が、反射板なしの状況と比較して中央値で20 dBの受信電力増幅を達成することを示した。また、曲面反射板はカバレッジの途切れをさらに低減する。

ABSTRACT

The future 5G networks are expected to use millimeter wave (mmWave) frequency bands, mainly due to the availability of large unused spectrum. However, due to high path loss at mmWave frequencies, coverage of mmWave signals can get severely reduced, especially for non-line-of-sight (NLOS) scenarios. In this work, we study the use of passive metallic reflectors of different shapes/sizes to improve mmWave signal coverage for indoor NLOS scenarios. Software defined radio based mmWave transceiver platforms operating at 28 GHz are used for indoor measurements. Subsequently, ray tracing (RT) simulations are carried out in a similar environment using Remcom Wireless InSite software. The cumulative distribution functions of the received signal strength for the RT simulations in the area of interest are observed to be reasonably close with those obtained from the measurements. Our measurements and RT simulations both show that there is significant (on the order of 20 dB) power gain obtained with square metallic reflectors, when compared to no reflector scenario for an indoor corridor. We also observe that overall mmWave signal coverage can be improved utilizing reflectors of different shapes and orientations.

研究の動機と目的

• 高いパスロスによる、インDoor NLOS環境におけるmmWave信号の著しい減衰という課題に対処する。
• アクティブリピーターの代替手段として、低コストで保守不要な受動的金属反射板を用いたmmWaveカバレッジ向上の可能性を調査する。
• 実際のインDoor通路における受信電力レベルに及ぼす反射板の形状、サイズ、向きの影響を評価する。
• 実測データと照らし合わせてレイ追跡シミュレーションの正確性を検証し、カバレッジ性能を予測する能力を確認する。
• 特に影付き領域におけるカバレッジのデッドゾーンを最小限に抑えるように、反射板の幾何形状を最適化する。

提案手法

• 国立インスツルメンツ社のPXIソフトウェア定義無線プラットフォームを用いて、インDoor通路で28 GHz帯の実環境mmWaveチャネル測定を実施した。
• サイズと向きを変更した平らな、円筒形の、球形の、および曲面の金属反射板を設置し、それらが電波伝搬に与える影響を評価した。
• Remcom社のWireless InSiteソフトウェアを用いてレイ追跡シミュレーションを実行し、測定データと照らし合わせた。
• 異なる反射板構成における受信電力の累積分布関数（CDF）を用いて、測定結果とシミュレーション結果を定量的に比較した。
• ビームの拡散を改善し、カバレッジのデッドゾーンを低減するために、5°および10°の曲率を持つ曲面反射板を設計し、幾何形状を最適化した。
• アンテナ放射パターンおよび反射板との距離が反射効率とカバレッジの均一性に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的金属反射板は、28 GHz帯のインDoor NLOS環境において、どの程度mmWave信号カバレッジを向上させ得るか？
• RQ2 反射板のサイズ、形状、向きは、受信電力レベルおよびカバレッジの均一性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 レイ追跡シミュレーションは、反射板を用いた実世界のmmWave伝搬行動を正確に予測できるか？
• RQ4 インドア通路の影付き領域において、カバレッジの途切れを最小限に抑えるために最適な反射板の幾何形状は何か？
• RQ5 受動的反射板を用いた場合、反射板なしの基準と比較して、受信電力増幅は最大でどの程度達成可能か？

主な発見

• 24×24インチおよび33×33インチの正方形金属反射板を用いることで、反射板なしの状況と比較して、受信電力の中央値が約20 dB向上した。
• 45°のアリュード角をとる24×24インチの反射板が、最も高い受信電力増幅を示し、方向指向性の反射に最適な配置であることが示された。
• レイ追跡シミュレーションは、受信電力のCDFと測定結果がよく一致しており、反射板を用いたmmWave伝搬のシミュレーションモデルの妥当性が裏付けられた。
• 円筒形および球形の反射板は、平らな反射板よりもカバレッジの途切れを低減したが、測定値とシミュレーション結果の間で性能にばらつきが見られた。
• 10°の曲面反射板は、5°の曲面反射板よりも、左上側の受信グリッド領域における途切れをより効果的に低減した。これは、より良いレイの拡散が得られたためである。
• 反射板のサイズを一定値を超えて増大させても、反射電力の増幅効果は次第に小さくなり、電力収集の飽和効果が顕在した。